(57)【要約】【課題】燃料の量を正確に測定し信頼性の高い発電動作を行うことが可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置は、アノードおよびカソードを有したセルを備え、化学反応により発電する起電部１２と、燃料を収容した燃料タンク１４と、起電部に燃料および空気を供給する循環系２０と、を有している。循環系は、燃料タンクから供給された燃料を起電部のアノードを通して循環させる燃料流路２２と、起電部のカソードを通して空気を循環させる気体流路２４と、燃料流路内で起電部の流出端と燃料タンクとの間に設けられ、液体と気体とを分離する気液分離器３４と、を有している。気液分離器は、起電部の流出端から気液分離器の流入端まで流れる流体の流量が燃料タンクのタンク容量の４０％以下となるように、起電部に接続されている。【選択図】    図１
2007323921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有したセルを備え、化学反応により発電する起電部と、
燃料を収容した燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、前記起電部のカソードを通して空気を循環させる気体流路と、前記燃料流路内で前記起電部の流出端と前記燃料タンクとの間に設けられ、液体と気体とを分離する気液分離器と、を有した循環系と、を備え、
前記気液分離器は、前記起電部の流出端から前記気液分離器の流入端まで流れる流体の流量が前記燃料タンクのタンク容量の４０％以下となるように、前記起電部に接続されている燃料電池装置。
【請求項２】
前記気液分離器は、前記流入端が前記起電部の流出端に当接して設けられている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記循環系は、前記気液分離器から前記気体流路まで延び、前記気液分離器により分離された気体を前記気体流路に導く排気流路を備えている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記循環系は、前記気体流路と前記排気流路との接続部よりも下流側で前記気体流路に設けられ、前記気体流路を流れる気体から有害物質を除去する除去部材を備えている請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記空気流路は、吸気口が設けられた吸気端部と、排気口が設けられた排気端部とを有し、前記除去部材は、前記排気端と前記起電部との間で前記気体流路に設けられた除去フィルタを有している請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記排気流路は、前記起電部と前記除去フィルタとの間で前記気体流路に接続されている請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記循環系は、前記吸気口と起電部との間で前記気体流路に設けられ、前記吸気口から空気を吸気して前記起電部に供給する送気ポンプを有し、前記排気流路は、前記吸気口と前記送気ポンプとの間で前記気体流路に接続されている請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記除去部材は、前記排気流路と前記気体流路との接続部と前記送気ポンプとの間で前記気体流路に設けられた他の除去フィルタを備えている請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記循環系は、前記排気流路を流れる流体を加熱するヒータを備えている請求項７又は８に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
アノードおよびカソードを有したセルを備え、化学反応により発電する起電部と、
燃料を収容した燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、吸気端および排気端を有し前記起電部のカソードを通して空気を供給する気体流路と、前記気体流路の吸気端と前記起電部との間で前記気体流路に設けられ、前記吸気端から空気を吸気して前記起電部に供給する送気ポンプと、前記燃料流路内で前記起電部の流出端と前記燃料タンクとの間に設けられ、液体と気体とを分離する気液分離器と、前記気液分離器から前記気体流路まで延び、前記気液分離器により分離された気体を前記気体流路に導く排気流路と、を有した循環系と、を備え、
前記気液分離器は、前記液体流路を規定した分離管と、前記分離管を覆って設けられているとともに前記排気流路に接続されたケースと、前記分離管に設けられ気体を透過可能な分離膜と、を有し、前記分離管内の第１圧力と前記ケース内の第２圧力との差圧により前記分離管内を流れる流体から気体を分離し前記分離膜を通して前記ケース内に排気し、
前記排気流路は、前記第２圧力が第１圧力よりも高くなる位置で前記気体流路に接続されている燃料電池装置。
【請求項１１】
前記排気流路は、前記吸気端と前記送気ポンプとの間で前記気体流路に接続されている請求項１０に記載の燃料電池装置。
【請求項１２】
前記排気流路は、前記排気端と前記起電部の流出端との間で前記気体流路に接続されている請求項１０に記載の燃料電池装置。
【請求項１３】
前記循環系は、前記気体流路と前記排気流路との接続部よりも下流側で前記気体流路に設けられ、前記気体流路を流れる気体から有害物質を除去する除去部材を備えている１１又は１２に記載の燃料電池装置。
【請求項１４】
前記循環系は、前記気体流路と前記排気流路との接続部と、前記送気ポンプとの間で前記気体流路に設けられ、前記気体流路を流れる気体から有害物質を除去する除去フィルタを備えている請求項１２に記載の燃料電池装置。
【請求項１５】
前記循環系は、前記排気流路を流れる流体を加熱するヒータを備えている請求項１４に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等の電源として用いられる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。
【０００３】
通常、ＤＭＦＣは、メタノールが収容された燃料タンク、メタノールを起電部に圧送する送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等を備えている。起電部はそれぞれアノードおよびカソードを有した複数の単セルを積層したセルスタックを備え、アノード側に希釈されたメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。発電に伴う反応生成物として、起電部のアノード側には未反応のメタノールおよび炭酸ガスが発生し、カソード側には水が発生する。反応生成物である水は蒸気となって排気される。
【０００４】
起電部のアノード出口と燃料タンクとの間を延びる流路には気液分離器が設けられている。起電部のアノード側に生じた未反応のメタノールおよび炭酸ガスは気液分離器に送られ、メタノールと炭酸ガスとが分離される。分離後、メタノールは回収流路を通して燃料タンクへ送られ、炭酸ガスは排気路を通してカソード流路に送られる（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−１０８７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように構成された燃料電池装置において、起電部のアノード出口から排出された流体は未反応のメタノールと炭酸ガスとを含んでいる。この場合、排出流体が起電部から気液分離器に至る間、気体の体積膨張が生じる。そのため、起電部と気液分離器とを接続する配管内の圧力が上昇し、この圧力上昇は液体流路を介して燃料タンクに作用し、燃料タンク内の燃料の液面を上昇させてしまう。通常、燃料タンク内には、収容された燃料の液面高さを検出し、燃料残量を検出する水位センサ等が設けられている。そのため、上記のように燃料流路の圧力上昇により液面が上昇すると、燃料の残量を正確に測定することが困難なる。この場合、燃料の過剰あるいは燃料不足が発生し、燃料制御装置の信頼性が低下する。
【０００６】
また、気液分離器で分離された燃料は燃料タンクに戻され、再度、発電に利用される。そのため、燃料を効率良く利用する上で、起電部と燃料タンクとの間に設けられた気液分離器は、燃料と炭酸ガスとを確実に分離できることが必要となる。
【０００７】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、燃料タンク内の液面変動を抑制し、燃料の量を正確に測定し信頼性の高い発電動作を行うことが可能な燃料電池装置を提供することにある。また、この発明の目的は、未反応の燃料を確実に回収し、燃料を効率良く利用することが可能な燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池装置は、アノードおよびカソードを有したセルを備え、化学反応により発電する起電部と、燃料を収容した燃料タンクと、前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、前記起電部のカソードを通して空気を循環させる気体流路と、前記燃料流路内で前記起電部の流出端と前記燃料タンクとの間に設けられ、液体と気体とを分離する気液分離器と、を有した循環系と、を備え、  
前記気液分離器は、前記起電部の流出端から前記気液分離器の流入端まで流れる流体の流量が前記燃料タンクのタンク容量の４０％以下となるように、前記起電部に接続されている。
【０００９】
この発明の他の形態に係る燃料電池装置は、アノードおよびカソードを有したセルを備え、化学反応により発電する起電部と、燃料を収容した燃料タンクと、前記燃料タンクから供給された燃料を前記起電部のアノードを通して循環させる燃料流路と、吸気端および排気端を有し前記起電部のカソードを通して空気を供給する気体流路と、前記気体流路の吸気端と前記起電部との間で前記気体流路に設けられ、前記吸気端から空気を吸気して前記起電部に供給する送気ポンプと、前記燃料流路内で前記起電部の流出端と前記燃料タンクとの間に設けられ、液体と気体とを分離する気液分離器と、前記気液分離器から前記気体流路まで延び、前記気液分離器により分離された気体を前記気体流路に導く排気流路と、を有した循環系と、を備え、  
前記気液分離器は、前記液体流路を規定した分離管と、前記分離管を覆って設けられているとともに前記排気流路に接続されたケースと、前記分離管に設けられ気体を透過可能な分離膜と、を有し、前記分離管内の第１圧力と前記ケース内の第２圧力との差圧により前記分離管内を流れる流体から気体を分離し前記分離膜を通して前記ケース内に排気し、前記排気流路は、前記第２圧力が第１圧力よりも高くなる位置で前記気体流路に接続されている。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、燃料タンク内の液面変動を抑制し、燃料の量を正確に測定し信頼性の高い発電動作を行うことが可能な燃料電池装置を提供することができる。また、上記構成によれば、未反応の燃料を確実に回収し、燃料を効率良く利用することが可能な燃料電池装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置について詳細に説明する。  
図１は燃料電池装置の循環系構成を示している。図１に示すように、燃料電池装置１０は、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成されている。燃料電池装置１０は、起電部を構成したＤＭＦＣスタック１２、燃料タンク１４、および起電部に燃料および空気を供給する循環系２０を備えている。
【００１２】
燃料タンク１４は密閉構造を有し、その内部には液体燃料としてメタノールが収容されている。燃料タンク１４は、燃料電池装置１０に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成してもよい。また、燃料タンク１４には、燃料タンク内に収容されているメタノールの液面の高さ（水位）を測定し、燃料の残量を検出する水位センサ１５が設けられている。
【００１３】
循環系２０は、燃料タンク１４の燃料供給口１４ａから供給された燃料をＤＭＦＣスタック１２を通して循環させる燃料流路（液体流路）２２、およびＤＭＦＣスタック１２を通して空気を含む気体を循環させる空気流路（気体流路）２４、燃料流路内および空気流路内に設けられた複数の補機を有している。燃料流路２２および空気流路２４は、それぞれ配管等によって形成されている。
【００１４】
空気流路２４は、吸気口を有した吸気端２４ａおよび排気口を有した排気端２４ｂを備えている。吸気端２４ａとＤＭＦＣスタック１２との間で空気流路２４には送気ポンプ２６が設けられている。送気ポンプ２６は吸気端２４ａを通して空気流路２４内に空気を吸い込み、空気流路を通してＤＭＦＣスタック１２のカソード（空気極）に供給する。
【００１５】
吸気端２４ａと送気ポンプ２６との間で空気流路２４には吸気側の除去フィルタ２８が設けられている。除去部を構成する除去フィルタ２８は、空気流路２４を流れる空気中に含まれるゴミ、および二酸化炭素、ギ酸、燃料ガス、ギ酸メチル等の不純物、有害物質を捕獲し除去する。ＤＭＦＣスタック１２の流出端と排気端２４ｂとの間で空気流路２４には、排気側の除去フィルタ３０が設けられている。除去部を構成する除去フィルタ３０は、空気流路２４を流れる空気中に含まれる二酸化炭素、ギ酸、燃料ガス、ギ酸メチル等の不純物、有害物質を捕獲し除去する。
【００１６】
燃料流路２２は、燃料タンク１４の燃料供給口１４ａからＤＭＦＣスタック１２のアノード（燃料極）を通り、燃料タンク１４の燃料回収口１４ｂまで延びている。燃料流路２２に設けられた補機は、燃料タンク１４の燃料供給口１４ａとＤＭＦＣスタック１２との間で燃料流路２２に設けられた送液ポンプ３２と、ＤＭＦＣスタックの燃料流出端と燃料タンク１４の燃料回収口１４ｂとの間で燃料流路に設けられた気液分離器３４とを有している。送液ポンプ３２は、燃料タンク１４から供給されたメタノールを加圧してＤＭＦＣスタック１２のアノードに供給する。
【００１７】
気液分離器３４は、燃料流路２２を流れる液体と気体とを分離する。すなわち、気液分離器３４は、後述するように、ＤＭＦＣスタック１２から排出された未反応のメタノールと反応生成物である二酸化炭素とを分離する。分離された液体、ここでは、メタノールは、燃料流路２２を通り燃料回収口１４ｂから燃料タンク１４内に回収される。
【００１８】
循環系２０は、配管等によって規定され気液分離器３４から空気流路２４まで延びた排気流路３６と、排気流路を流れる流体を加熱するヒータ３８と、を備えている。排気流路３６は、除去フィルタ２８、３０の上流側で空気流路２４に接続されている。例えば、排気流路３６は、吸気端３４ａと除去フィルタ２８との間の接続位置３７で空気流路２４に接続されている。
【００１９】
気液分離器３４で分離された二酸化炭素を含む気体は、排気流路３６を通って空気流路２４へ送られる。その際、排気流路３６を流れる流体はヒータ３８によって加熱され、水分を蒸発することにより乾燥される。排気流路３６から空気流路２４に送られた気体は、除去フィルタ２８を通り、ここで、二酸化炭素、ギ酸、燃料ガス、ギ酸メチル等の不純物、有害物質が除去された後、送気ポンプ２６、ＤＭＦＣスタック１２、除去フィルタ３０を通って排気口から排気される。
【００２０】
図２はＤＭＦＣスタック１２の積層構造および気液分離器３４を示し、図３は各セルの発電反応を模式的に示している。図２および図３に示すように、セルスタックとしてのＤＭＦＣスタック１２は、複数、例えば、４つの単セル１４０と、５枚の矩形板状のセパレータ１４２とを交互に積層して構成された積層体、および積層体を支持した枠体１４５を有している。各単セル１４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパとで構成されたほぼ矩形板状のカソード５２およびアノード４７、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜１４４を一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。高分子電解質膜１４４は、アノード４７およびカソード５２よりも大きな面積に形成されている。
【００２１】
３つのセパレータ１４２は、隣合う２つの単セル１４０間に積層され、他の２つのセパレータは、積層方向両端にそれぞれ積層されている。セパレータ１４２および枠体１４５には、各単セル１４０のアノード４７に燃料を供給する燃料流路１４６、および各単セルのカソード５２に空気を供給する空気流路１４７が形成されている。
【００２２】
図３で示したように、供給された燃料および空気は、アノード４７とカソード５２との間に設けられた電解質膜１４４で化学反応し、これにより、アノードとカソードとの間に電力が発生する。図１に示すように、ＤＭＦＣスタック１２で発生した電力は、電池制御部４０を介して電子機器等に供給される。なお、電池制御部４０は、送気ポンプ２６、送液ポンプ３２、ヒータ３８の動作を制御するとともに、水位センサ１５からの検出信号に基づいて燃料の残量を検出し、燃料電池装置全体の動作を制御する。
【００２３】
図２に示すように、気液分離器３４は、燃料流路（液体流路）を規定している分離管６０と、分離管６０を覆って設けられた中空のケース６２と、分離管に設けられ気体を透過可能な分離膜６４と、を有している。分離管６０はケース６２内を貫通して延び、分離膜６４はケース６２内に位置している。分離管６０の流入端６０ａはＤＭＦＣスタック１２のアノード側の流出端に接続されている。分離管６０の流出端は燃料流路２２に接続されている。ケース６２内部は、排気流路３６に接続されている。
【００２４】
燃料流路２２からＤＭＦＣスタック１２に供給された燃料は、アノード４７を流れた後、ＤＭＦＣスタック１２のアノード側の流出端から分離管６０に送られ、流出端６０ｂから燃料流路２２に送られる。分離管６０内の内圧（第１圧力）をＰ１、ケース６２内の圧力（第２圧力）をＰ２（＜Ｐ１）とした場合、分離管６０内を流れる流体は、圧力Ｐ１とＰ２との差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２により気体と液体とに分離される。分離された液体は燃料流路２２へ送られる。また、分離された気体は、分離膜６４を透過してケース６２内に排気され、更に、排気流路３６を通って空気流路２４へ送られる。
【００２５】
気液分離器３４の気液分離能力は、差圧ΔＰが大きい程、すなわち、ケース６２内の圧力Ｐ２が低い程、高くなる。ケース６２内の圧力Ｐ２は、排気流路３６が接続されている空気流路２４内の圧力に比例している。そのため、空気流路２４は、空気流路２４の内、圧力が低い位置に接続されていることが望ましい。
【００２６】
図４は、空気流路２４の位置と圧力との関係を示している。図４に示すように、空気流路において、吸気口と送気ポンプ２６の吸気側と間は負圧となり、分離管６０内の圧力Ｐ１よりも十分に低い。また、空気流路２４の気体は、送気ポンプ２６によって加圧された後、ＤＭＦＣスタック１２を通ることにより徐々に圧力が低下し、ＤＭＦＣスタックから流出した後、大気圧まで徐々に低下していく。このように、空気流路２４内の圧力は、図４にＡ１、Ａ２で示すように、吸気口と送気ポンプ２６との間、およびＤＭＦＣスタック１２の流出端と排気口との間で、分離管６０の内圧Ｐ１よりも低くなっている。そこで、排気流路３６と空気流路２４との接続位置３７は、圧力Ｐ２が圧力Ｐ１よりも低くなる位置、すなわち、吸気口と送気ポンプ２６との間（Ａ１）、およびＤＭＦＣスタック１２の流出端と排気口との間（Ａ２）のいずれかに設定されている。本実施形態では、図１に示したように、排気流路３６は、吸気端２４ａと送気ポンプ２６との間で空気流路２４に接続されている。これにより、気液分離器３４における差圧ΔＰを大きく、気液分離器の気液分離能力を向上することができる。
【００２７】
図１および図２に示すように、気液分離器３４は、ＤＭＦＣスタック１２と燃料タンク１４との間において、ＤＭＦＣスタック１２の燃料流出端から気液分離器の流入端６０ａまで流れる流体の流量が、燃料タンク１４のタンク容量の４０％以下となるように、ＤＭＦＣスタック１２に接続されている。
【００２８】
図２に示すように、ＤＭＦＣスタック１２の燃料流出端と気液分離器の流入端６０ａとが配管Ｌにより接続されている構成とした場合、配管Ｌ内の体積に応じて、すなわち、ＤＭＦＣスタック１２の燃料流出端から気液分離器の流入端６０ａまで流れる流体の流量に応じて、燃料タンク１４内に収容されている液体の水位が変化する。そこで、配管Ｌ内の体積を以下のように設定している。
【００２９】
燃料タンク１４内部の寸法を、４５ｍｍ×４５ｍｍ、高さ１０ｍｍ、タンク容量を約２０ｃｃとした場合、配管Ｌの体積増加分に割り当て可能なタンク容量を下記の燃料電池特性を基準にして算出した。
【００３０】
燃料電池特性  
体積変化に対する水位変動：０．５ｍｍ／ｃｃ  
通常運転時使用水位：５ｍｍ（ＣＯ２増加＋初期水位）  
液量変化：約０．２ｃｃ／ｍｉｎ  
発電時ＣＯ２発生量：約６ｃｃ（水位３ｍｍ上昇）
上記の燃料タンク１４の場合、収容された液体の水位変化は、液量変化１ｃｃの体積増加に対して約０．５ｍｍとなる。燃料電池通装置の常運転時に使用する基準水位を５ｍｍとしたとき、配管Ｌの体積増加分を水位換算して通常運転時使用水位に加算し、その合計を燃料タンク容量から差し引いた残りが水位制御に使用できる容量となる。従って、配管Ｌの体積増加分を減らすことで水位制御に使用できるタンク容量を稼ぐことが可能になる。
【００３１】
上述した燃料電池特性は一例であるが、この特性を基に液量増加方向で考えると、約１０分でタンク満量になることが分かる。燃料タンクの傾き変化、急激な液量増減を考慮すると、最低でも±１ｍｍの水位変動許容幅を設定することが望ましい。この水位変動許容幅を基に計算すると、配管Ｌの体積に対応して増加する容量として、燃料タンク内に確保できるタンク内容量は８ｃｃ（タンク容量２０ｃｃに対して４０％）が最大となる。
【００３２】
そこで、配管Ｌの容積は、ＤＭＦＣスタック１２の燃料流出端から気液分離器の流入端６０ａまで流れる流体の流量が、燃料タンク１４のタンク容量の４０％以下となるように設定されている。ここで、４０％以下とはゼロ％を含んでおり、配管Ｌを介することなく、気液分離器の流入端６０ａがＤＭＦＣスタック１２の燃料流出端に直接、接続された構成としてもよい。
【００３３】
なお、上記最大容量の値は、装置の薄型化を目的とした燃料タンクの高さ制限、実装スペースの制約を考慮したものであるとともに、上述した燃料電池特性は固有のものであるため、燃料電池装置の仕様、開発課題の変化等によって変動する。
【００３４】
上記のように構成された燃料電池装置１０を電源として用いる場合、電池制御部４０の制御の下、送液ポンプ３２および送気ポンプ２６を作動させる。送液ポンプ３２により、燃料タンク１４からメタノールが供給され、燃料流路２２を通してＤＭＦＣスタック１２のアノード４７に供給される。
【００３５】
一方、送気ポンプ２６により、空気流路２４の吸気端２４ａから空気流路内に大気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気は除去フィルタ２８を通り、ここで、空気中のゴミ、不純物が除去される。除去フィルタ２８を通過した後、空気は、空気流路２４を通りＤＭＦＣスタック１２のカソード５２へ供給される。
【００３６】
ＤＭＦＣスタック１２に供給されたメタノールおよび空気は、アノード４７とカソード５２との間に設けられた電解質膜１４４で電気化学反応し、これにより、アノード４７とカソード５２との間に電力が発生する。ＤＭＦＣスタック１２で発生した電力は、電池制御部５０を介して電子機器等へ供給される。
【００３７】
電気化学反応に伴い、ＤＭＦＣスタック１２には反応生成物として、アノード４７側に二酸化炭素、カソード５２側に水が生成される。アノード４７側に生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかったメタノールは気液分離器３４に送られ、ここで、二酸化炭素とメタノールとに分離される。分離されたメタノールは、気液分離器３４から燃料流路２２を通して燃料タンク１４へ回収され、再度、発電に用いられる。
【００３８】
分離された二酸化炭素は、排気流路３６を通って空気流路２４へ送られ、更に、空気とともに除去フィルタ２８へ送られ、ここで除去される。なお、ＤＭＦＣスタック１２から排出された気体には、ギ酸、メタノールガス、ギ酸メチル等も含まれ、これらの不純物も二酸化炭素と共に除去フィルタ２８で除去される。そのため、上述した不純物が送気ポンプ２６およびＤＭＦＣスタック１２へ送られることを防止し、これらの不純物による送気ポンプの損傷および発電効率の低下を防止することができる。また、排気流路３６を流れる流体は、ヒータ３８によって加熱され、乾燥された状態で空気流路２４へ送られる。そのため、空気流路２４を通して湿気が送気ポンプ２６へ送られることを防止し、湿気による送気ポンプの性能劣化を抑制することができる。
【００３９】
ＤＭＦＣスタック１２のカソード５２側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともに空気流路２４に排出される。排出された水および水蒸気は、除去フィルタ３０に送られ、ここで、ゴミ、不純物が除去された後、空気流路２４の排気端２４ｂから外部に排気される。
【００４０】
以上のように構成された燃料電池装置１０によれば、ＤＭＦＣスタックと燃料タンクとの間に設けられた気液分離器は、ＤＭＦＣスタックの燃料流出端から気液分離器の流入端まで流れる流体の流量が、燃料タンクのタンク容量の４０％以下となるように、ＤＭＦＣスタックに接続されている。そのため、循環系２０内での気体の体積膨張による燃料タンク内の水位上昇を低減し、流体制御への影響を最小限に抑えることが可能となる。
【００４１】
また、気液分離器で分離され不純物を含む気体を空気流路へ送り、吸気された空気とともに除去フィルタで処理することがき、不純物を除去した状態で外部に排気することがる。この際、気液分離器から排気された気体を加熱して乾燥することにより、送気ポンプの性能劣化が抑制される。気液分離器の排気側は、空気流路の内で、内圧の低い位置に接続されている。そのため、圧力差を最大限に利用して気液分離器の気液分離性能を向上することができる。
【００４２】
以上のことから、燃料の量を正確に測定して燃料の漏出を防止でき、信頼性の高い発電動作を行うことが可能な燃料電池装置を提供することができる。また、未反応の燃料を確実に回収し、燃料を効率良く利用することが可能な燃料電池装置を提供することができる。
【００４３】
次に、この発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。図５に示すように、第２の実施形態によれば、気液分離器３４のケースから延びた排気流路３６は、空気流路２４において、ＤＭＦＣスタック１２の流出端と排気側の除去フィルタ３０との間に接続されている。気液分離器３４で分離された二酸化炭素、その他の不純物は、排気流路３６を通って空気流路２４へ送られ、その後、除去フィルタ３０へ送られる。ここで、二酸化炭素および不純物が除去され、外部に排気される。
【００４４】
第２の実施形態において、排気流路３６に設けられたヒータは不要となる。また、排気側の除去フィルタにより不純物を除去することにより、送気ポンプ２６の上流側に設けられた吸気側の除去フィルタを省略することができる。
【００４５】
第２の実施形態において、他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００４７】
例えば、燃料と水とを混合する混合部を設け、この混合部に起電部で生じた水および燃料を供給し混合することにより、水で希釈された燃料を起電部に供給する構成としてもよい。燃料電池の形式としは、ＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte   Fuel Cell）等の他の形式としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置の循環系を示す図。
【図２】図２は、前記燃料電池装置のＤＭＦＣスタックおよび気液分離器を示す断面図。
【図３】図３は、前記ＤＭＦＣスタックの単セルを概略的に示す図。
【図４】図４は、前記燃料電池装置の空気流路と、空気流路の各位置における圧力との関係を示す図。
【図５】図５は、この発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置の循環系を示す図。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池装置、１２…ＤＭＦＣスタック、１４…燃料タンク、２０…循環系、
２２…燃料流路、２４…空気流路、２８、３０…除去フィルタ、３４…気液分離器、
３６…排気流路、４７…アノード（燃料極）、５２…カソード（空気極）、
６０…分離管、６２…ケース、６４…分離膜、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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